7、【Linux系统编程】阻塞和非阻塞

　　读常规文件是不会阻塞的，不管读多少字节，read一定会在有限的时间内返回。但是从终端设备或网络读则不一定，如果从终端输入的数据没有换行符，调用read读终端设备就会阻塞，如果网络上没有接收到数据包，调用read从网络读就会阻塞，至于会阻塞多长时间也是不确定的，如果一直没有数据到达就一直阻塞在那里。同样，写常规文件是不会阻塞的，而向终端设备或网络写则不一定。

　　现在先明确一下阻塞（Block）这个概念。当进程调用一个阻塞的系统函数时，该进程被置于睡眠（Sleep）状态，这时内核调度其它进程运行，直到该进程等待的事件发生了（比如网络上接收到数据包，或者调用sleep指定的睡眠时间到了）它才有可能继续运行。与睡眠状态相对的是运行（Running）状态，在Linux内核中，处于运行状态的进程分为两种情况：

　　正在被调度执行。CPU处于该进程的上下文环境中，程序计数器（eip）里保存着该进程的指令地址，通用寄存器里保存着该进程运算过程的中间结果，正在执行该进程的指令，正在读写该进程的地址空间。
　　就绪状态。该进程不需要等待什么事件发生，随时都可以执行，但CPU暂时还在执行另一个进程，所以该进程在一个就绪队列中等待被内核调度。系统中可能同时有多个就绪的进程，那么该调度谁执行呢？内核的调度算法是基于优先级和时间片的，而且会根据每个进程的运行情况动态调整它的优先级和时间片，让每个进程都能比较公平地得到机会执行，同时要兼顾用户体验，不能让和用户交互的进程响应太慢。
　　下面这个小程序从终端读数据再写回终端。

#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <iostream>
using namespace std;

int main(void)
{
    char buf[10]; //这个地方要注意长度为10
    int n;
    n = read(STDIN_FILENO, buf, 10);
    if (n < 0) {
        cout << "read STDIN_FILENO" << endl;
        return 1;
    }
    write(STDOUT_FILENO, buf, n);
    return 0;
}

 执行结果如下：

$ ./a.out
hello（回车）
hello
$ ./a.out
hello world（回车）
hello worl$ d
d: command not found

　　 第一次执行a.out的结果很正常，而第二次执行的过程有点特殊，现在分析一下：
　　Shell进程创建a.out进程，a.out进程开始执行，而Shell进程睡眠等待a.out进程退出。
　　a.out调用read时睡眠等待，直到终端设备输入了换行符才从read返回，read只读走10个字符，剩下的字符仍然保存在内核的终端设备输入缓冲区中。
　　a.out进程打印并退出，这时Shell进程恢复运行，Shell继续从终端读取用户输入的命令，于是读走了终端设备输入缓冲区中剩下的字符d和换行符，把它当成一条命令解释执行，结果发现执行不了，没有d这个命令。
　　如果在open一个设备时指定了O_NONBLOCK标志，read/write就不会阻塞。以read为例，如果设备暂时没有数据可读就返回-1，同时置errno为EWOULDBLOCK（或者EAGAIN，这两个宏定义的值相同），表示本来应该阻塞在这里（would block，虚拟语气），事实上并没有阻塞而是直接返回错误，调用者应该试着再读一次（again）。这种行为方式称为轮询（Poll），调用者只是查询一下，而不是阻塞在这里死等，这样可以同时监视多个设备：

while(1) {
    非阻塞read(设备1);
    if(设备1有数据到达)
        处理数据;
    非阻塞read(设备2);
    if(设备2有数据到达)
        处理数据;
...
}

　　上述伪代码中如果read(设备1)是阻塞的，那么只要设备1没有数据到达就会一直阻塞在设备1的read调用上，即使设备2有数据到达也不能处理，使用非阻塞I/O就可以避免设备2得不到及时处理。
　　但是非阻塞I/O有一个缺点，如果所有设备都一直没有数据到达，调用者需要反复查询做无用功，如果阻塞在那里，操作系统可以调度别的进程执行，就不会做无用功了。在使用非阻塞I/O时，通常不会在一个while循环中一直不停地查询（这称为Tight Loop），而是每延迟等待一会儿来查询一下，以免做太多无用功，在延迟等待的时候可以调度其它进程执行。

while(1) {
    非阻塞read(设备1);
    if(设备1有数据到达)
        处理数据;
    非阻塞read(设备2);
    if(设备2有数据到达)
        处理数据;
    ...
    sleep(n);
}

　　这样做的问题是，设备1有数据到达时可能不能及时处理，最长需延迟n秒才能处理，而且反复查询还是做了很多无用功。后面博客中介绍的select( )函数可以阻塞地同时监视多个设备，还可以设定阻塞等待的超时时间，从而圆满地解决了这个问题。
　　 以下是一个非阻塞I/O的例子。目前我们学过的可能引起阻塞的设备只有终端，所以我们用终端来做这个实验。程序开始执行时在0、1、2文件描述符上自动打开的文件就是终端，但是没有O_NONBLOCK标志。所以就会 “阻塞读终端”，读标准输入是阻塞的。我们可以重新打开一遍设备文件/dev/tty（表示当前终端），在打开时指定O_NONBLOCK标志。

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

#define MSG_TRY "try again
"
#define MAX 8192

int main(void)
{
    char buf[MAX];
    int fd, n;
    //以只读且非阻塞方式打开/dev/tty
    //意思就是打开该终端(tty类似于C++中的this)
    fd = open("/dev/tty", O_RDONLY|O_NONBLOCK);
    if(fd<0) 
    {//如果打开失败就打印出错原因
        perror("open /dev/tty");
        exit(1);
    }

tryagain:
    //从终端中读数据到buf中
    n = read(fd, buf, sizeof(buf));
    if (n < 0)//如果读失败 
    {
        //如果错误原因是EAGAIN
        if (errno == EAGAIN) 
        {//errno就是错误原因所对应的编号
         //EAGAIN就是宏定义的一个错误原因
            sleep(1);
            //标准输出(输出到屏幕),MSG_TRY在上面的宏定义
            write(STDOUT_FILENO, MSG_TRY, strlen(MSG_TRY));
            goto tryagain;
        }
        //如果错误原因不是EAGAIN
        perror("read /dev/tty");
        exit(1);
    }
    //如果读到数据
    write(STDOUT_FILENO, buf, n);
    close(fd);
    return 0;
}